ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
УДК 541.64:539.2:537.5
ВЛИЯНИЕ МАСШТАБНЫХ ФАКТОРОВ НА КИНЕТИКУ ВЫСВОБОЖДЕНИЯ ЛЕКАРСТВЕННОГО ВЕЩЕСТВА ИЗ ПЛЕНОЧНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ПОЛИГИДРОКСИБУТИРАТА
© 2015 г. А. А. Ольхов1, 2 *, Р. Ю. Косенко2, В. С. Маркин2, М. А. Гольдштрах2, А. Л. Иорданский2
1Российский экономический университет им. Г.В. Плеханова, Москва 2Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук, Москва
E-mail: aolkhov72@yandex.ru Поступила в редакцию 10.04.2015
В настоящей работе была исследована кинетика высвобождения лекарственных веществ из пленочных систем на основе полигидроксибутирата в зависимости от масштабных факторов: молекулярной массы полимера и толщины пленки, а также были выявлены изменения структуры пленок в процессе гидролитической деструкции в биологических средах. Установлено, что с ростом молекулярной массы и толщины пленочных матриц высвобождение лекарственного вещества замедляется.
Ключевые слова: полигидроксибутират, дипиридамол, контролируемое высвобождение, диффузия, гидролитическая деструкция, молекулярная масса, толщина пленки.
Б01: 10.7868/80207401X15090101
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время отмечается значительный рост научных исследований полимерных терапевтических систем на основе бактериального поли-3-гидроксибутирата (ПГБ) [1—3]. Этот полимер обладает уникальным сочетанием таких свойств, как быстрое биоразложение, полная биосовместимость, тромборезистентность, гипо-аллергенность и др. В связи с этим ПГБ начинает широко применяться в качестве полимерных им-плантатов [4, 5], двух- и трехмерных матриц для выращивания клеточного материала [6], микро- и наночастиц для адресной доставки лекарственных веществ (см., например, [7]). Поэтому необходимо изучить механизмы биодеградации и гидролитической деструкции ПГБ.
Помимо вышеназванного, изучение деструктивных процессов ПГБ является необходимым этапом его эффективного использования в качестве новых биодеградируемых упаковочных материалов, способных быстро усваиваться в окружающей среде [8, 9]. Хорошо известно, что разложение полимера в среде организма или в ландшафтных условиях может протекать преимущественно по механизму ферментативного гидролиза или путем гидролитической деструкции, а иногда разрушение ПГБ происходит при сочетании обоих процессов [2, 3, 10].
В отличие от полигликолидов, полилактидов и их сополимеров, ПГБ рассматривается, скорее, как умеренно резистентный материал по отношению к деструкции in vitro или биодеградации в живом организме. Сроки его эксплуатации могут существенно варьироваться в зависимости от химической природы биополимера (например, благодаря появлению в цепи сополимеров оксивале-риата или оксиоктаноата), степени кристалличности, морфологии, молекулярной массы, соотношения стереоизомеров и др. [11, 12]. В зависимости от целей биомедицинского применения полуфабрикаты и изделия на основе ПГБ могут быть различных типов: пленки и пластины [13—15], изделия цилиндрической формы [16], монофиламентные нити [17, 18], микросферы [19] и др.
Достоинством рассматриваемого биополимера является его термопластичность, т.е. возможность переработки из расплава (например, экструзион-ным методом), и удовлетворительная растворимость в ряде органических растворителей, что позволяет получать изделия на его основе из раствора (например, мокрым формованием) [20, 21]. Однако подобное различие технологий может привести не только к многообразию морфологий в объеме образца, но и к его пористости, а также к изменению строения поверхности [14]. Поэтому материалы на основе ПГБ, полученные из раствора или
4
49
G, %
12
[П] = 7.7 • 10-5 Ж,
0.82 W ,
молекулярной массой 504.53 г/моль. Структурная формула дипиридамола:
N N N
1 ^Т II Js^N
OH
OH
N
Л X
N N N
15 20
Время, сут
Рис. 1. Кинетические кривые высвобождения дипиридамола из пленок ПГБ различной молекулярной массы: 300 (1), 460 (2), 820 (3) кДа (толщина пленок — 20 мкм, концентрация ДПД — 3%); — количество высвободившегося ДПД.
расплава, различаются по своим транспортным характеристикам и, следовательно, могут иметь разные времена биодеградации.
В настоящей работе была исследована кинетика высвобождения лекарственного вещества (ЛВ) — дипиридамола из пленочных систем на основе полигидроксибутирата в зависимости от масштабных факторов (молекулярной массы полимера и толщины пленки), а также было изучено изменение структуры пленок в процессе гидролитической деструкции в биологических средах.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В работе использовали ПГБ марки "Вюшег" (Германия) с молекулярными массами 300, 460 и 820 кДа. Растворимость исходного порошка полимера в хлороформе после длительного кипячения составляла примерно 0.01 г/мл. Горячий раствор фильтровали с помощью стеклянного фильтра Шотта и молекулярную массу ПГБ в фильтрате, М^г определяли методом капиллярной вискозиметрии с помощью вискозиметра Уббелоде, используя уравнение
HO^v
OH
Основные характеристики ПГБ: плотность — 1.23—1.25 г/см3, температура плавления — 175— 178°С, температура стеклования — 9—12°С, степень кристалличности — 70—75% (метод определения — рентгеновская дифракция). Структурная формула ПГБ:
H,
O
O CH
ААД
OH
где [п] — характеристическая вязкость раствора полимера в хлороформе.
В качестве лекарственного вещества было использовано антиагрегационное и антиадгезивное средство дипиридамол (ДПД) — (2,2',2",2"'-[(4,8-ди-1-пиперидинилпиримидо[5,4-ё]пиримидин-2,6-диил)динитрило]тетракис[этанол]) марки "х. ч.") с
Матрицы ПГБ, содержащие дипиридамол, готовили следующим образом:
1. Навеску порошка ПГБ заливали 50 мл диок-сана и кипятили с обратным холодильником до получения однородной массы. Полученный раствор выливали в чашку Петри и сушили при комнатной температуре до постоянного веса.
2. Навеску полученной массы полимера растворяли в хлороформе, куда добавляли раствор дипиридамола, и далее методом полива получали пленочные матрицы различной толщины. Содержание дипиридамола в ПГБ составляло 3.0 и 10.0 вес. %.
Для изучения кинетики высвобождения лекарственного вещества образец погружали в ячейку с дистиллированной водой и спектрофо-тометрически следили за изменением концентрации дипиридамола с помощью УФ-спектрофотометра Beckman DU-65. Морфологию пленок изучали методами оптической микроскопии в проходящем поляризованном свете и в отраженном свете с помощью оптического микроскопа МДП-1 (Россия). Исследование образцов методом ДСК проводили на приборе DSC 204 F1 фирмы "Netzsch" в инертной среде аргона со скоростью нагрева 10°С/мин. Среднестатистическая ошибка измерения тепловых эффектов составляла ~2%.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Исследование зависимости кинетики высвобождения от молекулярной массы ПГБ проводили на пленочных матрицах ПГБ с молекулярными массами 300, 460 и 820 кДа. На рис. 1 представлены
кинетические кривые высвобождения ДПД из пленок одинаковой толщины, содержащих 3% ЛВ, в зависимости от молекулярной массы ПГБ. Видно, что молекулярная масса полимера оказывает существенное влияние на диффузионное выделение ДПД.
На основании представленных на рис. 1 данных можно заключить, что в полимерных лекарственных системах на основе ПГБ с ростом молекулярной массы полимера высвобождение ЛВ замедляется. При этом на кинетических кривых можно обнаружить два характерных участка — с высокой начальной скоростью и низкой скоростью высвобождения ДПД. Быстрое выделение ДПД связано, по-видимому, с его высвобождением из аморфизованного слоя ПГБ, который формируется при контакте макромолекул в процессе формирования пленки на границах полимер-воздух и полимер-стекло. Известно, что кристаллизация на поверхности раздела фаз затруднена [22].
Из рис. 1 также видно, что с ростом молекулярной массы (ММ) полимера, скорость выделения ДПД на начальном этапе падает. Это можно связать с некоторым уменьшением степени кристалличности пленок ПГБ с ростом молекулярной массы. У пленок с ММ = 300 кДа степень кристалличности составляла 72%, с ММ = 460 кДа — 75% и с ММ = 820 кДа — 78%. Такая зависимость связана с увеличением влияния концевых групп ПГБ на процессы кристаллизации при уменьшении ММ полимера.
Второй участок на кривых высвобождения связан с длительным выделением ДПД из объема пленочных матриц, которое зависит от надмолекулярной структуры пленки (степени кристалличности, размера кристаллитов) и от степени сегментарной подвижности макромолекул в межкристаллических (аморфных) областях полимера, в которых и сосредоточено ЛВ. Причем, чем выше ММ, тем ниже скорость высвобождения ЛВ (кинетические кривые характеризуются низкими значениями тангенса угла наклона). Это, несомненно, связано с увеличением диффузионного пути молекул ЛВ в объеме пленки при росте степени кристалличности.
Как видно из рис. 2, пленочные матрицы ПГБ характеризуются высокой кристалличностью и размерами кристаллитов примерно от 10 до 100 мкм. Данные получены с помощью оптической микроскопии в поляризованном свете. На изображении четко видны мелкие и крупные кристаллиты, образующие в поляризованном свете так называемые "мальтийские кресты".
Полученные результаты находятся в хорошем соответствии с аналогичными данными по высвобождению ЛВ из матриц на основе полилакти-дов и их сополимеров с полигликолидами, для которых также наблюдалось увеличение скорости
Рис. 2. Оптическая фотография пленочной матрицы ПГБ, сделанная в поляризованном свете (увеличена в 500 раз).
высвобождения при уменьшении молекулярной массы полимера [23]. Однако из ПГБ-матриц высвобождение протекает несколько медленнее. По-видимому, более четкая зависимость скорости высвобождения от ММ полимеров молочной кислоты по сравнению с ПГБ обусловлена тем, что последний более устойчив к гидролитической деструкции. Ко всему прочему, на зависимость скорости высвобождения ЛВ от ММ полимера влияют концевые группы ПГБ путем взаимодействия с мобильными молекулами ЛВ, что замедляет их диффузию и одновременно разрыхляет структуру ПГБ, т.е. мешает образованию совершенной структуры биополимера [24]. Таким образом, варьирование молекулярной массы биополимера при
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.